生命的亞原子秘密

示憐云

地球生命的誕生，離不開碳的一個難以解釋的屬性。

宇宙中碳是除了氫、氦、氧以外最多的元素，它在銀河系中占了總量的0.46%。碳原子有一種神奇的化學能力—能與其他元素相結合，產(chǎn)生種類繁多的復雜分子，所以以碳為基礎的生命最終在地球上誕生出來了。如果沒有碳，地球生命就不復存在。

但是，宇宙中碳的產(chǎn)生，取決于碳的一個看似不可思議的屬性—碳原子核的一個十分特殊的激發(fā)態(tài)。

我們的存在需要這個激發(fā)態(tài)，然而，物理學家們無法用理論解釋清楚這個激發(fā)態(tài)。現(xiàn)在，是解決這個問題的時候了。

碳的創(chuàng)生錄

碳-12是最常見的碳同位素，占碳元素全部同位素的98.89%，包含6個質子和6個中子。所以，談論碳是如何產(chǎn)生的，主要就是去分析碳-12的產(chǎn)生過程。而碳的創(chuàng)生故事開始于138億年前的宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸之后的一段時間里，宇宙中的所有元素都是輕元素：氫、氦和少數(shù)其他輕元素。更重的元素，包括碳，都是在后來形成的恒星核心里產(chǎn)生出來的。在恒星核心處，產(chǎn)生碳的第一步就是把最輕的元素氫聚變成氦。

當恒星進入晚年，開始變?yōu)榧t巨星時，內(nèi)部的氫會被消耗光，它開始消耗氦。此時，產(chǎn)生碳的第二步就可以進行—把兩個氦-4（包含兩個質子和兩個中子）聚變成鈹-8（包含4個質子和4個中子）。

最后一步就是鈹-8再與一個氦-4相結合，就能聚變成一個碳-12。但這里有一個大問題，鈹-8十分不穩(wěn)定，它會在轉瞬之間變?yōu)槠渌妮p元素。所以，核物理學家曾經(jīng)認為，最后這一步是很難發(fā)生的。

那么還有什么其他的辦法產(chǎn)生碳嗎？你也許想到，三個氦-4可以同時擠在一起，聚變成一個碳-12啊。但是，核物理學家早就發(fā)現(xiàn)，發(fā)生這種事情的概率極低，單靠這種方法是無法產(chǎn)生數(shù)量可觀的碳的。

神奇的激發(fā)態(tài)

那么，宇宙中這么多的碳是從哪里來的？

這始終是一個謎，直到1953年，英國天文學家弗雷德·霍伊爾根據(jù)碳-12在宇宙中是豐富的這一事實，做出了一個大膽的推測。他推測，產(chǎn)生碳的最后一步，即鈹-8與氦-4聚變成碳-12，是可以順利進行下去的，只要碳-12的原子核有一個以前從未發(fā)現(xiàn)過的激發(fā)態(tài)。

這個激發(fā)態(tài)的能量比基態(tài)高了7.65兆電子伏特。那么，為什么有了這個激發(fā)態(tài)，反應就能進行了？

答案是，基態(tài)的鈹-8加上一個基態(tài)的氦-4，其總能量幾乎就等于處在這種激發(fā)態(tài)的碳-12?；粢翣栒J為，此時就像發(fā)生了共振一樣，鈹-8很容易與一個氦-4相結合，聚變?yōu)橐粋€處于激發(fā)態(tài)的碳-12，盡管鈹-8會迅速衰變。隨后，激發(fā)態(tài)下的碳-12可以衰變?yōu)樘幱诨鶓B(tài)的碳-12。

之前，之所以核物理學家認為這個反應很難發(fā)生，是因為沒有意識到碳-12的原子核有這個激發(fā)態(tài)。很快，粒子對撞機給出的實驗數(shù)據(jù)證實了霍伊爾的觀點，而這種激發(fā)態(tài)就被稱為霍伊爾激發(fā)態(tài)。這樣，我們就搞清楚了碳的產(chǎn)生過程。

直接算出結果

但從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，60多年過去了，核物理學家們始終無法用理論對霍伊爾激發(fā)態(tài)做出解釋。原因在于，計算原子核內(nèi)所有的核子（質子和中子的統(tǒng)稱）在某一時刻下的狀態(tài)，是一項非常復雜的任務。

核物理學家會使用能簡化計算的理論模型，來近似地描述強核力和電磁力對核子的作用。通常情況下，這些模型可以描述許多原子核的性質。但是，霍伊爾狀態(tài)卻無法從這些模型推導出來。

解決此問題的一個方法是直接硬算下去：把我們對強核力和電磁力所知道的一切都考慮進去，再計算處在霍伊爾狀態(tài)下碳原子核里每個核子的狀態(tài)。

但是，碳原子核里有太多的基本粒子了—碳-12包含12個核子，每個核子里還有著3個夸克。不過，在2011年，借助位于德國的JUGENE超級計算機，以及一種可以能忽略夸克的計算技巧，來自德國波鴻大學的研究人員終于做出了一些突破。

在每一個瞬間，JUGENE都會算出每個核子受到的來自11個同伴的作用力，并根據(jù)受力對每一個核子的狀態(tài)進行調(diào)整，然后再一遍又一遍地重復這一計算過程。進行了幾周的計算后，研究人員發(fā)現(xiàn)，碳原子核的確能半穩(wěn)定地存在于一個比基態(tài)高了大約7.65兆電子伏的能級上。

幾年后，他們使用類似的技術，計算了霍伊爾狀態(tài)下碳原子核的形狀。他們發(fā)現(xiàn)，此時的碳原子核分成了3組，每組都包含兩個質子和兩個中子，也就是說，每一組相當于一個氦核。這3組核子組合成的形狀，類似一個回旋鏢。

新的待解決問題

問題都解決了嗎？并沒有。首先，JUGENE模擬出的激發(fā)態(tài)能級比實際的小了些?？磥恚氲玫綔蚀_的結果，仍需要進一步的研究。更令人困惑的是，當涉及到霍伊爾激發(fā)態(tài)下碳原子核的形狀時，最近的實驗結果卻與JUGENE模擬出的不一樣。

2014年，英國伯明翰大學的研究人員用一束阿爾法粒子（也就是氦核）射向碳靶，碳靶里的碳-12會吸收能量進入激發(fā)態(tài)，并把阿爾法粒子彈回去。通過測量彈回的阿爾法粒子狀態(tài)，研究人員能夠分析出激發(fā)態(tài)下碳-12的形狀。他們得到的是一個不同的結論：霍伊爾激發(fā)態(tài)下碳原子核的3組核子，構成的是一個等邊三角形。

不過，位于歐洲的在建的極端光基礎設施設備，有可能在不久的未來解決此矛盾。這個設備可以用激光與高能電子束對撞，產(chǎn)生出高能伽馬射線。一個實驗計劃就是用伽馬射線轟擊碳原子核，然后監(jiān)測碳原子核會發(fā)生什么。也就是說，通過摧毀碳原子核來研究霍伊爾狀態(tài)。

激發(fā)態(tài)與生命

霍伊爾激發(fā)態(tài)的能級，比基態(tài)高了7.65兆電子伏特。那么，如果這個能級變得高一點或低一點的話，都會使得反應無法順利進行，這樣宇宙中就無法產(chǎn)生足夠的碳，以碳為基礎的生命就很難誕生出來。

為何物理定律是這個樣子，使得碳原子核具有這種激發(fā)態(tài)？霍伊爾曾認為，之所以這樣，是因為我們宇宙中的物理定律是被精心調(diào)整過的，以適應生命的生存。

不過，一些科學家喜歡用人擇原理來解釋這個激發(fā)態(tài)。人擇原理認為，我們所觀察到的宇宙，必然具有能允許我們存在的條件。如果宇宙不是這樣子的話，那么也就沒有發(fā)問的我們了。

現(xiàn)在，更多的科學家傾向于用多重宇宙這個觀點來解釋。他們認為，我們的宇宙可能是多重宇宙中的一員。多重宇宙是由無數(shù)個宇宙而組成的集合，每個宇宙都有著屬于自己的物理特性。一些少量的宇宙湊巧具備了適宜生命生存的物理特性，其中的一個就是我們所生活的宇宙。

總之，霍伊爾激發(fā)態(tài)與生命息息相關。這就是生命的亞原子秘密。endprint